山區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂面荷載計(jì)算及其模型試驗(yàn)縮尺方法

姜大山，晁孌孌

1.濰坊龍文建設(shè)投資股份有限公司，山東 濰坊 261100

2.山東北匯建設(shè)工程有限公司，山東 菏澤 274000

前人在探討基礎(chǔ)承載性能時(shí)，常采用模型試驗(yàn)方法[1-2]，但模型試驗(yàn)很難實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)際比例為1∶1的試驗(yàn)條件，因此試驗(yàn)時(shí)常對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行縮尺。當(dāng)基礎(chǔ)縮尺后，上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)傳遞到基礎(chǔ)的荷載（水平荷載、豎向荷載及彎矩）也應(yīng)相應(yīng)縮尺，但其縮尺方法還需探討。文章依據(jù)青島海西風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)，分別計(jì)算額定風(fēng)速和切出風(fēng)速工況下，葉輪葉片、機(jī)艙及塔筒所受的風(fēng)荷載，以及由塔筒傳遞到基礎(chǔ)頂面的水平荷載、豎向荷載及傾覆彎矩。通過彈性力學(xué)相似比尺原理，得出模型試驗(yàn)中模型基礎(chǔ)頂面對(duì)應(yīng)的縮尺后的荷載，用于指導(dǎo)模型試驗(yàn)。

1 工程概況

青島海西風(fēng)電場(chǎng)占地主要為山頂未利用地，場(chǎng)區(qū)內(nèi)設(shè)3座測(cè)風(fēng)塔，測(cè)得空氣密度約為1.186kg/m3；風(fēng)電場(chǎng)50m、80m高度處50年一遇最大風(fēng)速分別為29.2m/s、30.4m/s。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量為2MW，輪轂高度為80m；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用重力式圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)；基礎(chǔ)上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)各部件及其質(zhì)量見表1。

表1 基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)各部件質(zhì)量

2 計(jì)算風(fēng)荷載

（1）作用于塔筒上的荷載。葉輪葉片所受風(fēng)荷載通過塔筒的傳遞對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生荷載作用。根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（試行）》規(guī)定：上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部與基礎(chǔ)交界面的荷載宜用荷載標(biāo)準(zhǔn)值表示。由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）可知，垂直于建筑物表面單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下：

表2 不同工況下的基本風(fēng)壓

為便于計(jì)算塔筒的風(fēng)振系數(shù)，將塔筒從上至下分為四段，再由下面的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算公式得出不同塔筒高度處的風(fēng)振系數(shù)（見表3）。

表3 不同高度處的風(fēng)振系數(shù)

可得式（2）：

式中：g為峰值因子；I10為高度為10m的湍流強(qiáng)度，山地地區(qū)I10=0.14；Bz為脈動(dòng)風(fēng)載的分量因子；R為脈動(dòng)風(fēng)載的共振分量因子。

由此，得到塔筒各段風(fēng)載值（見表4、表5）。

表4 塔筒各段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表5 塔筒所受風(fēng)荷載分布情況

（2）作用于塔筒頂端的荷載。額定風(fēng)速、切出風(fēng)速條件下，葉輪葉片的旋轉(zhuǎn)速度不同，產(chǎn)生的荷載亦不同。注意：①額定風(fēng)速下，風(fēng)輪和機(jī)艙受到的荷載包括氣動(dòng)荷載、偏轉(zhuǎn)力、垂直力、旋轉(zhuǎn)與俯仰彎矩；②切出風(fēng)速下，風(fēng)輪和機(jī)艙受到的荷載包括氣動(dòng)荷載、垂直力、轉(zhuǎn)矩和偏轉(zhuǎn)彎矩。塔頂荷載的計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 塔頂荷載分布情況

（3）作用于塔底（基礎(chǔ)頂面）的荷載。塔筒頂端及塔筒所受荷載傳遞至塔底即基礎(chǔ)頂面，現(xiàn)考慮額定、切出風(fēng)速兩種風(fēng)況（見表7、表8）。

表7 作用于塔底的荷載

表8 作用于基礎(chǔ)頂面的荷載

3 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)化方法

通過模型試驗(yàn)可探討基礎(chǔ)的承載特性，但模型試驗(yàn)很難建立與工程實(shí)際比例為1∶1的基礎(chǔ)模型，常將基礎(chǔ)模型進(jìn)行縮尺，模型基礎(chǔ)的受力也需要進(jìn)行等效縮尺。由于基礎(chǔ)所受豎向荷載變化不大，因此主要探討水平荷載作用下基礎(chǔ)的承載性能?？s尺比例分別為1∶20、1∶50、1∶60，所獲得的基礎(chǔ)模型受力值見表9。根據(jù)彈性力學(xué)中各相似常數(shù)的關(guān)系可得，縮尺比例為1∶20時(shí)，水平力、水平彎矩對(duì)應(yīng)的模型荷載相似常數(shù)分別為1/400和1/8000；縮尺比例為1∶50時(shí)，水平力、水平彎矩的相似常數(shù)分別為1/2500和1/125000；縮尺比例為1∶60時(shí)，水平力、水平彎矩的相似常數(shù)分別為1/3600和1/216000。

表9 模型基礎(chǔ)荷載計(jì)算

4 結(jié)論

（1）依據(jù)青島海西風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速，通過計(jì)算得到了額定風(fēng)速、切出風(fēng)速下作用于基礎(chǔ)頂面的水平荷載、豎向荷載及水平彎矩。（2）依據(jù)模型試驗(yàn)縮尺原理，獲得縮尺比例為1∶20、1∶50、1∶60時(shí)，山區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所受荷載值可用于指導(dǎo)模型試驗(yàn)。